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セーフティリレー

セーフティリレーとは

セーフティリレー

セーフティリレーとは、機械や設備の安全回路を組むためのリレーです。

セーフティリレーは強制ガイド接点構造をもつことで、制御システムの安全関連部において「安全を確認できた場合にだけ機械を運転する」という制御を行う役割があります。そのため、異常検出やそれに伴う設備の安全停止を可能とします。

発信された信号を「入力部」が受け、その信号が安全かどうかを判断し、「出力部」に信号を送る仕組みです。モジュールでは、論理部として中心的な役割をもちます。

セーフティリレーの使用用途

セーフティリレーは、主に安全機能の監視に使われています。具体例は、非常停止や安全扉、安全マットなどの安全制御が主な使用用途です。デバイスやセンサ、アクチュエータの異常を検出し、機械や設備に安全に停止するよう制御する設計がされています。

セーフティリレーを利用したモジュールを組み込むことで、機械や設備の安全性の確保が可能です。オペレータが危険を感じたり、機械や設備に異常が発生したり、損害発生の可能性を検出することで危険性から守ります。

セーフティリレーの原理

セーフティリレーは一般的なリレーとは異なり、強制ガイド接点構造をもつリレーのことです。a接点とb接点の2種類の接点をもち、それぞれは互いに絶縁状態の必要があるため壁によって仕切られています。2つの接点は機械的につながっており、コイルのON/OFFに応じてa接点とb接点が連動する仕組みです。

セーフティリレーのその他情報

1. 強制ガイド接点構造

強制ガイド接点構造は、「a接点が溶着した場合に、コイルがOFF状態で全てのb接点が0.5mm以上の接点ギャップを確保している」「b接点が溶着した場合、コイルがON状態で全てのa接点が0.5mm以上の接点ギャップを確保している」とき、異常状態を検出する構造が特徴です。

そのため、接点溶着時において、a接点とb接点が同じ動作状態になりません。機械のON/OFFを制御するシステムの場合、構造はa接点を動力制御用回路に、b接点を監視用回路に接続した状態です。

そうすることで、a接点が溶着しているとき、機械はコイルがON状態のときのみ稼働し、OFF状態にすれば機械が停止します。一方、b接点はコイルがOFF状態のとき溶着し、安全状態を検出するための監視用として働きます。

2. 非常停止用押しボタンスイッチ

セーフティリレーの具体例として、非常停止用押しボタンスイッチがあります。スイッチの動作でコンタクタがモーター回路を開閉する安全機能を持つシステムです。モーター運転時に非常停止用押しボタンが押されると、ただちにモーターが停止します。

非常停止用押しボタンスイッチではNC (ノーマル・クローズ) 接点が使用されており、スイッチが押されていない間は接点は閉じています。その間安全信号を送信するシステムです。非常停止用押しボタンスイッチが押されると接点が開き、安全信号を出力しなくなります。

セーフティリレーモジュールは非常停止用押しボタンスイッチからの安全信号の入力と制御システムのスタートスイッチ押下を検出した場合、モーター運転を許可する信号をコンタクタに出力する機構です。

この安全機能システムにおいて非常停止用押しボタンスイッチからの安全信号がセーフティリレーに入力されないと、セーフティリレーモジュールはコンタクタへの信号出力を停止します。これによりモーターが停止するのです。

3. 直接回路動作機構と強制ガイド機構

リレー回路の動作機構は前述した強制ガイド機構と直接動作機構があります。直接回路動作機構とは、セーフティスイッチのNC接点の溶着時、アクチュエータに働く力で接点を引きはがす機構のことです。

強制ガイド機構はNO (ノーマル・オープン) 接点とNC接点が同時にONとならないようにする機構であり、一方の接点の監視を行うことで他方が正常であるかを判断することができます。

ただし、直接回路動作機構のように接点を引きはがすことはできません。

参考文献
https://jp.idec.com/RD/safety/guide/safety09
https://www.pilz.com/ja-JP/support/knowhow/lexicon/articles/072106
https://ac-faq.industrial.panasonic.com/jp/faq_detail.html?category=&page=1&id=10252
https://xtech.nikkei.com/dm/article/LECTURE/20130821/298472/?ST=msm&P=2

セラミック発振子

セラミック発振子とは

セラミック発振子とは、電子デバイスの一種であり、振動するセラミック (チタン酸ジルコン酸鉛が主流) を使用して、特定の周波数で振動する現象を利用した電子部品です。

発振子の素材としては、調整が不要で安定性にも優れている水晶がよく使われていますが、高価で形状が大きくなる欠点があります。セラミック発振子は安価で形状が小さいため、多くの電子機器で使用されています。

ワンチップ・マイコンのような機器では、基準クロックの要求精度が比較的緩いため、セラミック発振子で十分に対応が可能です。

セラミック発振子の使用用途

主にデジタル回路における基準クロックの発振回路に使用されますが、対象となる装置は、下記の通り多岐に渡ります。特に、小型/軽量化を優先する場合に積極的に採用されています。

デジタル時計やスマートウォッチ
電子レンジや電子オーブンなどの家電製品のタイマー
自動車のエンジン制御ユニット (ECU)
音響機器や楽器のチューニング
データ通信機器のクロック信号発生
計測機器や制御装置のタイミング制御
ロボットや自動制御システム
メディカルデバイスのタイマーや制御装置
電子錠やセキュリティシステムのタイミング制御
モバイルデバイスのバッテリーマネジメント

セラミック発振子の原理

セラミック発振子の原理は、圧電効果 (ピエゾ効果) に基づいています。

1. 圧電効果

セラミック材料は、圧電効果によって物理的な変形と電気信号の相互変換が可能です。圧電効果とは、物質に力が加わるとその物質が微小な変形を起こし、同時に電荷が生じる現象です。

2. 振動生成

セラミック発振子では、セラミック材料に電圧を加えることで圧電効果が働き、セラミックが微小な変形を起こします。この変形によりセラミック材料は振動を発生させますが、振動の周波数はセラミック材料の物理的な特性によって定まります。

3. 振動のフィードバック制御

セラミック発振子は、振動をフィードバック制御することで安定した振動を維持します。セラミック材料が振動すると、この振動から発生する電圧が制御回路によって検出されます。

制御回路は検出された振動電圧から適切な電圧をセラミック材料に供給 (フィードバック) して振動を制御します。

4. 信号出力

セラミック振動子が振動を続けると、そこから発生する電圧は制御回路を介して外部に出力されます。これを利用して特定周波数のクロックを作ります。

セラミック発振子の特徴

セラミック発振回路は、水晶発振回路やLC発振回路と比較していくつかの特徴があります。

1. 小型/軽量

セラミック発振回路は、セラミック材料が比較的小型であり、回路全体がコンパクトに設計できます。これにより、デバイスやシステムの小型化や軽量化が可能になります。

2. 低コスト

セラミック材料は比較的安価で入手可能です。また、セラミック発振回路の製造コストも比較的低いため、大量生産に適しています。

3. 消費電力の低さ

セラミック発振回路は、一般的に低い消費電力で動作します。これにより、電力効率が向上し、バッテリー駆動の機器や省エネルギー設計に適しています。

4. 高い信頼性

セラミック材料は堅牢で信頼性が高く、振動の安定性があります。また、セラミック発振回路は熱や振動に対して比較的耐性があり、広範な動作温度範囲に対応できます。

5. 幅広い周波数範囲

セラミック発振回路は、幅広い周波数範囲で動作することができます。さまざまな周波数要件に対応できるため、多様なアプリケーションに適用可能です。

セラミック振動子のその他情報

セラミック振動子の欠点

水晶発振回路やLC発振回路に比べて、セラミック発振回路の制約も存在します。例えば、周波数の安定性や温度変動特性が水晶発振回路より劣ります。

また、特定の周波数範囲や高い周波数の発振等では、水晶発振回路の方が対応範囲が広く、適しています。LC発振回路では広い範囲で自由に発振周波数可変することができますが、セラミック発振回路では基本的に発振周波数を変えることはできません。

参考文献
https://www.kansaidenshi.com/product/ceramic/
http://kousyuha-kiban.com/zais-3.html
https://www.kansaidenshi.com/product/ceramic/
https://ceramic.co.jp/about
https://sudoteck.way-nifty.com/blog/2011/12/post-23d1.html

サーボモーター

サーボモーターとは

サーボモーター

サーボモーターは、エンコーダを内蔵しつつ変位を自由に決めることが出来るモーターの総称です。サーボはServant(奴隷)が語源で、指定通り動作することを示しています。ロボットや加工機で多く使用されます。

サーボモーターの使用用途

サーボモーターは家庭用として見ることはほぼありませんが、産業用途としては幅広く使用されています。

一例としては、自動車工場の組立ロボットなどです。サーボモーターを用いることで、数多くの部品を素早く正確に組立可能です。

自動車工場では塗装や溶接作業にもサーボモーターを用いたロボットが使用されます。プログラム次第で、正確に素早く同じ動作を再現します。

また、半導体製造装置や医療機器など、精密産業用機器には高い再現性と正確性が求められます。大小問わず多くのサーボモータが生産設備で使用されています。

サーボモーターの原理

現在広く普及している小型ACサーボモータとしては、永久磁石型同期モーターが使用されます。同期モーターは回転子、固定子、軸受、ケーシングなどで構成されます。

永久磁石型同期モーターの回転子には永久磁石が取り付けられており、固定子巻線が外周を円環状に囲んでいます。固定子巻線には外部から接続された配線が交流電流を流します。

電流を流された固定子巻線は、電磁石となります。交流電流が周波数に応じて位相を変化させるため、電磁石も極性を時間と共に変化させます。

一方で、回転子は永久磁石の極性が固定されているため、固定子の位相変化に応じて回転します。これがサーボモータの回転動作原理です。

サーボモーターには小型小容量のものがほとんどです。ただし、大容量サーボモータには誘導モーターが使用される場合もあります。

サーボモーターの最大の特徴は、エンコーダが付属することです。エンコーダによって、モーター変位を制御機器へフィードバックすることができます。

サーボモーターの電源には専用の制御機器を用います。制御機器によってエンコーダの信号を読み取り、周回数や速度などを制御できる機器です。

サーボモーター専用の制御機器はサーボドライバやサーボアンプと呼ばれ、モーターメーカーなどから販売されています。

サーボモーターのその他情報

1. サーボモーターとステッピングモーターの違い

ステッピングモーターは1パルスでどれだけ回転するか決まっているので、パルス信号で回転の角度や速度を簡単かつ正確に制御できます。構造も簡単かつ低コストですが、急激な負荷で同期がずれたり、高回転ではトルクが小さく音が大きくなります。

一方サーボモーターは、回転をセンサーで検出してフィードバック信号をドライバに送ります。制御信号とフィードバック信号を比較して差がなくなるように出力を調整するので、細かい制御が可能になります。

ステッピングモーターよりも滑らかに回転し、高トルクや高回転、急激な負荷でも安定します。反面、モーターやドライバが複雑で高コストであり、フィードバック信号と比較して制御するので、出力の変化に対して遅れが生じます。サーボモーターは、頻繁に始動や停止を繰り返したり、超低速や逆転など細かい制御をしたい場合に使用されます。

2. サーボモーターのトルク

サーボモーターのトルクは、定格トルクと瞬時最大トルクに分けられています。定格トルクは、モーターの定格出力、定格回転速度の状態で出力されるトルクのことです。通常運転時はこのトルク以下で使用します。

瞬時最大トルクは、短時間に出力可能な最大のトルクであり、加速や減速にかかる時間を短縮することが可能です。定格トルクより3～5倍ほどのトルクを発生させられますが、瞬時最大トルクでモーターを使い続けると寿命が短くなってしまいます。

通常運転時は定格トルク以下で使用するとモーターが長持ちします。サーボモーターを選定する際には、機械の負荷トルクや慣性モーメント、機械の制御パターンなどを考えて、必要なモーターの速度やトルクを求める必要があります。

3. サーボモーターの使い方

サーボモーターはプログラマブルコントローラやサーボアンプ、サーボドライバを接続して使用します。

ロボットやコントローラなど、電子工作で使用するサーボモーターは、マイコンボードと電池で動作します。サーボモーター用のライブラリが用意されているものもあるので、コードを記述するだけで簡単に動かすことができます。

参考文献
https://www.fujielectric.co.jp/products/column/servo/servo_01.html
https://www.jel-robot.co.jp/term/term003.html

センサー

センサーとは

センサー (英: Sensor) とは様々な物理量あるいは物質の濃度などを検知する機器です。

検知器とも呼ばれ、あらゆる電子機器に組み込まれて目・耳・鼻などの感覚器官に相当する役割を担っています。測定物をただ検知するだけでなく、それによって機器の次の動作を決定させたり、安全のために機器の動作を止めたりする目的で使用されます。

センサーの仕組み

例として温度センサーの仕組みを紹介します。温度センサーは、温度を感知して接点が作動したり、電気抵抗が変化する装置です。温度によって接点を作動する装置にはサーモスタットと呼ばれる温度センサーがあります。熱膨張の異なる2種類の金属板を張り合わせ、温度変化が起きると金属板が外れる仕組みになっています。

サーモスタットはこたつなどで使われていますが、接点で直接ヒーターの入り切りをするので、細かい温度制御はできません。電気抵抗が変化する装置にはサーミスターと呼ばれる温度センサーがあります。

サーミスターはわずかな温度変化でも電気抵抗が大きく変化する特性があります。そのため例えば暖房機器に利用すれば、室温が上昇すると、出力を徐々に弱めていくような細かな制御が可能になります。

センサーの種類

センサーが検知するものは、熱や圧力、音や光、距離や流量など様々なものがありますが測定物によって異なるセンサーの種類があり、測定原理も異なります。

身近なもので言うとスマートフォンには様々なセンサーが組み込まれています。タッチパネルは指の接触や動きを検知するセンサーが搭載されており、カメラには光を検知して画像化するセンサーが搭載されています。通話やAIアシスタントへの呼びかけはマイクを通して行われており、これも音を検知するセンサーです。

近年ではIoTの急速な普及によって、スマートホームなどを導入する人も増えてきました。例えば、人の接近を検知してライトを点けるといった場合、赤外線を用いた人感センサーで人の接近を検知しています。

また、帰宅中に家に近づくとエアコンを付けたりする場合は、GPSセンサーを用いて位置を検知しています。快適な居住空間を実現するには温度・湿度などの管理が重要ですが、ここでも温度センサー・湿度センサーが使用されます。

センサーの種類は人間の5感で分類分けすることができます。　

目 (視覚)
光センサー (フォトダイオード、CCD、CMOSなど) 　
耳 (聴覚)
音センサー (圧電素子、コンデンサマイクロホンなど) 　
皮膚 (触覚)
温度センサー (熱電対、サーミスタなど)、圧力センサー (ダイアフラム、半導体圧力センサーなど)
鼻 (嗅覚)
においセンサ (半導体ガスセンサー、バイオケミカル素子)
舌 (味覚)
味センサ (PHセンサー、粒子センサー)

センサーの種類は非常に多岐にわたるため、目的に合わせて何を検知すれば良いかをしっかりと検討し、適切なものを選択することが重要です。

コンデンサ

コンデンサとは

コンデンサ (英: Capacitor) とは、電気を蓄えたり放出したりすることができる電子部品です。

絶縁体を向かい合う2枚の金属板で挟み込んだ構造をしており、電圧をかけると電荷の移動が起こりますが、2枚の金属板は絶縁体で隔てられているので行き場を失った電荷は金属板に蓄えられます。これによってコンデンサは充電された電池のように機能することができます。

蓄電・放電という点では電池と混同されがちですが、電池は基本的に化学反応を介して電気エネルギーの変換を行っているのに対し、コンデンサはこのような変換の過程なしに電荷を直接蓄えることができるため、極めて高速な充電・放電を繰り返すことができるのが特徴です。

コンデンサは、電源回路に組み込んで充電放電を繰り返すことで、急激な電圧変化をバッファすることで安定した電圧印加を行うことができます。またコンデンサは高周波の交流電流を通過させやすいという特徴があり、これを利用してノイズを除去したり、直流成分をカットしたりとフィルタとしての役割も担っています。

コンデンサの種類

コンデンサには下記のように様々な種類があり、それぞれ異なる特徴を持っています。

1. セラミックコンデンサ

誘電体にセラミックを使用したコンデンサで熱に強く、周波数特性に優れているのが特徴で、デジタル回路の作製などに適しています。セラミックは主に酸化チタンなどの金属酸化物を使われています。サイズが小さくて耐熱性に優れていますが、割れやすい欠点もあります。

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2. 電解コンデンサ

アルミニウムを始めとする金属の電解液を使用したコンデンサです。容量が大きいことが特徴で電源回路などに向いています。2枚の金属表面を化学的に反応させて酸化させます。酸化皮膜は電気を通さないので、これを絶縁体として使用します。特性として静電容量が大きい特徴がありますが、プラスとマイナスを間違えると発熱するおそれがあります。

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3. フィルムコンデンサ

誘電体としてプラスチックフィルムを用いたコンデンサです。温度変化による静電容量の変動が少なく、高い精度で制御を行うことがでるため、オーディオ機器等に適しています。直流電源の場合は高い絶縁状態と保つが、交流電源では電流を通しインピーダンスが周波数によって変化します。ノイズ対策として良く用いられます。

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4. 可変コンデンサ

他のコンデンサは、静電容量が固定されていますが、可変コンデンサは、これ一つで様々な容量を実現できます。ラジオなど受信機の同調回路に適しています。つまみを回すことで連続的に容量を変えられるものや複数の容量固定コンデンサをスイッチで切り替えるタイプのものなど様々なものがあります。

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コンデンサの性質

乾電池をコンデンサーにつなぐと、プラス極側の金属板の電子は乾電池のプラス極へ移動するので、金属板がプラスに帯電します。そして金属板間の電圧と乾電池の電圧が同一になったときに電子の移動が止まり、金属板に電荷が蓄えられた状態になります。このように電荷を蓄えるものをコンデンサーといい、電荷が金属板に蓄えられることを充電と呼びます。

電荷が蓄えられて電子の移動が止まるまでは、一瞬電流が流れます。つまり直流電源をコンデンサーにつなぐと、最初だけ電流が流れますがあとは流れなくなります。この状態で乾電池を外すと、金属板には電荷が蓄えられた状態になります。

コンデンサーに蓄えられる電荷を静電容量といい、記号はC、単位にF (ファラド) を用います。静電容量は金属板の面積と、金属間の誘導体の誘導率に比例します。そして金属板間の距離に反比例します。

コンデンサと交流

コンデンサーに交流を流すと、充電と放電を繰り返し続けます。直流電源では蓄電を完了すると電流が止まりますが、交流では絶えず電流が流れ続けます。

これは金属板間を電流が通過しているわけではありませんが、見かけ上、電流が流れることになります。そして、電流の向きの変わる速度が速くなるほど (周波数が高いほど) 電流が流れやすくなります。

FA機器

FA機器 (ファクトリー・オートメーション機器) とは

FA (英: Factory automation) とは、工場などにおける生産ラインや検査を自動化するシステムで、これを実現する機器をFA機器といいます。

FA機器の導入は、人間の処理速度を大幅に超えて稼働させることができるため、時間あたりの生産性の向上が見込めます。また、省人化によるコスト削減にもつながるため、世界的な需要が高まっています。さらに、製品の検査において、人の目では発見できないような欠陥も効率よく検出できるため、不良品の割合を下げることで製品の歩留まりを向上させる効果もあります。

FA機器の種類

FA機器には様々な種類があり、生産ラインを完全に自動化する大規模なものから、既存の装置につなぐだけでプログラムした動作を行わせるコントローラータイプのものなど多岐にわたります。

現状では生産ラインの完全自動化には多大なコストがかかるためあまり現実的ではありません。実際にはパーツフィーダによる部品供給や品質の自動検査など、工程のポイントポイントで導入されるケースが一般的です。さらに、コストを抑えて機器のFA化を行うには、専用のFA機器を導入するよりも、プログラマブルコントローラ等を導入すると既存の装置をFA化することができます。

FA機器は目的と予算に合わせて適切なものを適切な規模で導入することが大切です。

FA機器の機能

FA機器には次のような機能や役割があり、それらを組み合わせて生産工場の自動化が成り立っています。

1. 操作する

操作は人の判断で機械や設備を動かすことです。車の運転でアクセルと踏んで車を動かすことや、テレビゲームでコントローラーのボタンを押して中のキャラクターを動かすことです。

2. 制御する

制御とは、操作対象を決められたルールによって動きをコントロールすることです。車の運転であれば、事故が起きないように車線の間で車が走るようにハンドルでコントロールします。

3. 駆動する

操作や制御をして、実際に外部に出力することです。車の運転であれば、タイヤが回転するという動作が駆動するということです。

4. 検出する

操作対象の制御には、動作するきっかけが必要です。また動作中であっても、機械が今どのような状態化を検出する必要があります。そのために使われるのがセンサーです。

5. 表示する

機械が正常に動いているか、何らかの異常が起きていないかを表示します。機械が一見すると止まって見えても何らかの条件で突然動き出しては非常に危険です。そのためランプなどで人が見て分かるように表示します。

FA機器のメリット

1. コスト

生産工場が初期の頃は、人の手によって材料加工や運搬、検査などを行いますが、一定の生産量を超えると自動化することで費用の削減ができます。生産工場であれば業種に限らずどこでも実施されていますが、設備の初期投資は従業員の給料より高いので、投資回収を考えて導入する必要があります。

2. 品質

トラブルに対する対応や、日ごろのメンテナンスができていれば、人が作業する以上に高品質な製品が作れるようになります。また単純な作業では人より作業時間が短くなり、大きな受注に対応が可能になります。

3. 安全性

作業環境が悪い場所などでは、人が作業していると事故による怪我や健康被害のリスクが高まります。産業用のロボットを導入した場合には、労働災害、健康被害が起こらなくなるメリットがあります。

FA機器業界の現状

国内のFA機器業界の業績的な動向としては、半導体製造や電子機器の設備投資が減少傾向にあることや、2018年頃からスマートフォン需要が一段落したこと、2019年の米中貿易摩擦の影響などを受けて出荷額は減少傾向にあります。しかし、こうした減少も底打ちとの見通しがあることと、世界的な人件費の高騰によるFA化需要の高まりによって回復の兆しありというのが全体的な概況です。

技術的な面では、FA機器をインターネット接続してIoT化するスマート工場が注目されており、これを円滑に実現するソフトウェアの開発が要求されています。

絶対に触らないでください（日本会社ニュース)